技術(shù)分享 | 到底要怎樣接好控制系統(tǒng)中的這些地？

地線處理是系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試中的一個重要問題。下面就接地問題提出一些看法。

控制系統(tǒng)中，大致有以下幾種地線：

數(shù)字地：也叫邏輯地，是各種開關(guān)量（數(shù)字量）信號的零電位。

模擬地：是各種模擬量信號的零電位。

信號地：通常為傳感器的地。

交流地：交流供電電源的地線，這種地通常是產(chǎn)生噪聲的地。

直流地：直流供電電源的地。

屏蔽地：也叫機(jī)殼地，為防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)。

如圖1分別是電源地、信號地、屏蔽地以及大地四種不同地的常見符號。

圖1?四種接地符號

以上這些地線處理是系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試中的一個重要問題。下面就接地問題提出一些看法：

控制系統(tǒng)宜采用一點接地

一般情況下,高頻電路應(yīng)就近多點接地，低頻電路應(yīng)一點接地。在低頻電路中，布線和元件間的電感并不是什么大問題，然而接地形成的環(huán)路的干擾影響很大，因此，常以一點作為接地點；但一點接地不適用于高頻，因為高頻時，地線上具有電感因而增加了地線阻抗，同時各地線之間又產(chǎn)生電感耦合。一般來說，頻率在1MHz以下,可用一點接地；高于10MHz時，采用多點接地；在1～10MHz之間可用一點接地，也可用多點接地。

圖2 串并聯(lián)單點接地優(yōu)缺點

? 交流地與信號地不能共用

由于在一段電源地線的兩點間會有數(shù)mV甚至幾V電壓，對低電平信號電路來說，這是一個非常重要的干擾，因此必須加以隔離和防止。

? 浮地與接地的比較

全機(jī)浮空即系統(tǒng)各個部分與大地浮置起來，這種方法簡單，但整個系統(tǒng)與大地絕緣電阻不能小于50MΩ。這種方法具有一定的抗干擾能力，但一旦絕緣下降就會帶來干擾。還有一種方法，就是將機(jī)殼接地，其余部分浮空。這種方法抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠，但實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。

? 模擬地

模擬地的接法十分重要。為了提高抗共模干擾能力，對于模擬信號可采用屏蔽浮技術(shù)。對于具體模擬量信號的接地處理要嚴(yán)格按照操作手冊上的要求設(shè)計。

?屏蔽地

在控制系統(tǒng)中為了減少信號中電容耦合噪聲、準(zhǔn)確檢測和控制，對信號采用屏蔽措施是十分必要的。根據(jù)屏蔽目的不同，屏蔽地的接法也不一樣。電場屏蔽解決分布電容問題，一般接大地；電磁場屏蔽主要避免雷達(dá)、電臺等高頻電磁場輻射干擾。利用低阻金屬材料高導(dǎo)流而制成，可接大地。

磁場屏蔽用以防磁鐵、電機(jī)、變壓器、線圈等磁感應(yīng)，其屏蔽方法是用高導(dǎo)磁材料使磁路閉合，一般接大地為好。當(dāng)信號電路是一點接地時，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點接地。如果電纜的屏蔽層地點有一個以上時，將產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。當(dāng)一個電路有一個不接地的信號源與系統(tǒng)中接地的放大器相連時，輸入端的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端；相反，當(dāng)接地的信號源與系統(tǒng)中不接地的放大器相連時，放大器的輸入端也應(yīng)接到信號源的公共端。

對于電氣系統(tǒng)的接地，要按接地的要求和目的分類，不能將不同類接地簡單地、任意地連接在一起，而是要分成若干獨立的接地子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都有其共同的接地點或接地干線，最后才連接在一起，實行總接地。

Q1：為什么要接地?

接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設(shè)備遭雷擊而采取的保護(hù)性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護(hù)建筑物的作用。同時，接地也是保護(hù)人身安全的一種有效手段，當(dāng)某種原因引起的相線（如電線絕緣不良，線路老化等）和設(shè)備外殼碰觸時，設(shè)備的外殼就會有危險電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會流經(jīng)PE線到大地，從而起到保護(hù)作用。

在接地設(shè)計中，信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當(dāng)就會嚴(yán)重影響系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。最近，高速信號的信號回流技術(shù)中也引入了“地”的概念。

Q2：接地的定義

在現(xiàn)代接地概念中、對于線路工程師來說，該術(shù)語的含義通常是‘線路電壓的參考點’；對于系統(tǒng)設(shè)計師來說，它常常是機(jī)柜或機(jī)架；對電氣工程師來說，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。

Q3：常見的接地符號

PE，PGND，F(xiàn)G－保護(hù)地或機(jī)殼；BGND或DC-RETURN－直流－48V(+24V)電源（電池）回流；GND－工作地；DGND－數(shù)字地；AGND－模擬地；LGND－防雷保護(hù)地GND在電路里常被定為電壓參考基點。

圖3?常見接地符號

從電氣意義上說，GND分為電源地和信號地。PG是 Power Ground（電源地）的縮寫。另一個是 Signal Ground（信號地）。

實際上它們可能是連在一起的（不一定是混在一起哦?。蓚€名稱，主要是便于對電路進(jìn)行分析。

進(jìn)一步說，還有因電路形式不同而必須區(qū)分的兩種“地”：數(shù)字地，模擬地。數(shù)字地和模擬地都有信號地、電源地兩種情況。數(shù)字地和模擬地之間，某些電路可以直接連接，有些電路要用電抗器連接，有些電路不可連接。

Q4：合適的接地方式

接地有多種方式，有單點接地，多點接地以及混合類型的接地。而單點接地又分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。一般來說，單點接地用于簡單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分，以及低頻（f<1MHz）電子線路。當(dāng)設(shè)計高頻（f>10MHz）電路時就要采用多點接地了或者多層板（完整的地平面層）。

Q5：信號回流和跨分割的介紹

對于一個電子信號來說，它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這個信號回流就變得非常的關(guān)鍵。

第一，根據(jù)公式可以知道，輻射強(qiáng)度是和回路面積成正比的，就是說回流需要走的路徑越長，形成的環(huán)越大，它對外輻射的干擾也越大，所以，PCB布板的時候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。

第二，對于一個高速信號來說，提供有好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量，這是因為PCB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來計算的，如果高速線附近有連續(xù)的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù)，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗從而會影響到信號的完整性。所以，布線的時候要把高速線分配到靠近地平面的層，或者高速線旁邊并行走一兩條地線，起到屏蔽和就近提供回流的功能。

第三，為什么說布線的時候盡量不要跨電源分割，這也是因為信號跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會很長了，容易受到干擾。當(dāng)然，不是嚴(yán)格要求不能跨越電源分割，對于低速的信號是可以的，因為產(chǎn)生的干擾相比信號可以不予關(guān)心。

對于高速信號就要認(rèn)真檢查，盡量不要跨越，可以通過調(diào)整電源部分的走線。（這是針對多層板多個電源供應(yīng)情況說的）

Q6：為什么要將模擬地和數(shù)字地分開，如何分開?

模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地，因為數(shù)字信號變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會很大，而模擬信號是需要一個干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會影響到模擬信號。一般來說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細(xì)的走線連在一起，或者單點接在一起。總的思想是盡量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開，如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。

圖4?模擬地與數(shù)字地

Q7：單板上的信號如何接地?

對于一般器件來說，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計后，對于一般信號的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過孔數(shù)量；靠近地平面或者電源平面，等等。

Q8：單板的接口器件如何接地?

有些單板會有對外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網(wǎng)口RJ45連接器等等，如果對它們的接地設(shè)計得不好也會影響到正常工作，例如網(wǎng)口互連有誤碼，丟包等，并且會成為對外的電磁干擾源，把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會單獨分割出一塊獨立的接口地，與信號地的連接采用細(xì)的走線連接，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細(xì)的走線可以用來阻隔信號地上噪音過到接口地上來。同樣的，對接口地和接口電源的濾波也要認(rèn)真考慮。

Q9：帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?

屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號地上，這是因為信號地上有各種的噪聲，如果屏蔽層接到了信號地上，噪聲電壓會驅(qū)動共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設(shè)計不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈。